第二看台

    在更低的维度上，生命能否存在？二维生命的设想非常诱人，但人们普遍认为，二维空间中不可能有生命存在。其中两个重要的原因是：二维引力难以维持行星轨道的稳定性；二维神经网络的复杂度也无法支持生命活动。

    但是，加州大学戴维斯分校物理学家詹姆斯·斯卡吉尔（J.H.C.Scargill）在预印本网站发表了一篇相关论文。在这里，空间是二维的，而时间是一维的。在论文中，斯卡吉尔通过针对上述两点的论述，证明了在二维空间，生命完全有可能出现。

    二维太阳系的稳定性

    首先，斯卡吉尔从引力的角度讨论了二维太阳系的稳定性。

    万有引力的一个显著特征是，一旦空间不是三维的，那么万有引力的大小就不再与距离的平方成反比。这会引起严重的后果——地球绕太阳的公转轨道变得不稳定。任何微弱的扰动，例如一颗陨石落到地球上，都会让地球离开现有轨道。

    在非三维空间，如果不修改目前的万有引力理论（广义相对论），就不可能存在稳定的地球绕日轨道。地球或者是被太阳吸引，落入太阳而烧毁；或者是飘离太阳系。

    而在二维空间，除了轨道稳定性的问题，引力本身也是生命存在的阻力。由于二维空间的引力没有自由度，在这里，甚至不存在真正意义上的引力。

    为了解决这个问题，斯卡吉尔在二维空间中引入一个标量场，修改了整个引力理论，从而产生全新的二维引力场。在这种条件下，斯卡吉尔证明了可以存在稳定的圆轨道——这个圆轨道描述的是地球绕着太阳公转，而二维生物是生活在这个二维地球上的。

    如果只考虑物理，二维中最重要的相互作用当然是引力，因为引力是最宏观的，也决定了时空结构。当然，对于其他3种相互作用——电磁相互作用、强相互作用与弱相互作用在二维空间会变得怎么样，斯卡吉尔在研究中没有提到。

    二维生命体存在的可能性

    随后，斯卡吉尔从数学上证明，在二维空间中，神经网络的复杂度具备支持生命的条件。比较低等的生物，比如线虫完整的神经网络已被绘制出来了。从目前的研究结论来看，对于人脑神经网络来说，目前脑科学研究的一个基本观点是：人脑神经网络展现出小世界特征。小世界特征可以通俗地理解为，这个世界其实很小，你只要通过6个人就可以认识世界上的每一个人，包括美国总统或者非洲某村的村长。

    对二维生物来说，情况有一点特殊：二维生物大脑中的神经纤维不能交叉，因此其大脑的神经网络必须是平面的，这在某种意义上限制了它的复杂性。因此，一些研究认为，二维世界太简单了，无法让复杂的生命出现。

    但是，二维的神经网络是否也能展示出小世界特征呢？这正是斯卡吉尔需要解决的问题。

    北京师范大学系统科学学院副教授崔晓华说：“斯卡吉尔在论文中构造了一些带环的平面图。环在网络中很重要，因为带环的网络可以产生自我的周期行为。有研究认为，大脑处理时间信息的一项重要机制，就是利用局部神经环路记录信息。”

    斯卡吉尔在论文中证明了，带环的二维神经网络可以展现出小世界特性。除了小世界特性，斯卡吉尔还在论文中提到了大脑神经网络拓扑结构的另外两个特点——层级化与模块化，同时证明了二维神经网络也可以展现出这些特点。因此，在神经网络这个角度上，二维空间也可能存在生命体。

    虽然斯卡吉尔论证了二维生命体存在的可能性，但这距离证明二维生命还有很远的距离。还有其他理由认为我们这样的生命体无法在二维空间中存在。例如，霍金在《时间简史》中提到，在二维空间，生命体口腔与肛门的连线（消化道）会把这个生物分割为两个部分，因而二维生命体不能存在——当然这是从消化系统角度来论述这个问题的。或许，对于其他维度是否存在生命，我们很难找到答案。

    撰文：张华 

    来源:环球科学